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瞿金平院士華中大團隊 CEJ：Hofmeister效應介導的水凝膠蒸發(fā)器 - 用于同時進行光熱水蒸發(fā)和熱電發(fā)電
2023-02-13  來源：高分子科技

  人口的迅速增長以及環(huán)境污染加劇了全球水和能源的短缺。利用光熱材料實現太陽能驅動的界面光熱水蒸發(fā)（ISDE）與熱電（TE）相結合是解決上述問題的最佳方案之一。實現高效水-電聯產的核心在于光熱材料和蒸發(fā)裝置的設計。近年來，具有三維網絡結構和親水性能的多孔水凝膠材料因為其降低水蒸發(fā)焓的優(yōu)點成為構建先進太陽能蒸發(fā)器的后起之秀。為了達到高蒸發(fā)速率，如何調控水凝膠的分子結構和微孔結構從而調控水分子狀態(tài)，促進水傳輸和蒸汽逃逸成為水凝膠蒸發(fā)器設計的關鍵。目前，大部分水凝膠蒸發(fā)器的設計只關注其中一個問題。比如，為了調節(jié)水分子狀態(tài)，科學家們嘗試在水凝膠中引入第二組分以調節(jié)其網格尺寸和親水性。氣體發(fā)泡，共溶劑光聚合和自組裝模板法等策略已被應用水凝膠的微孔設計中，以實現快速供水和蒸汽逸出。然而，這些策略受到使用其他表面活性劑、有機溶劑、有毒化學品和/或聚合物模板的影響。因此，迫切需要一種簡單、通用和可擴展的策略來同時調控水凝膠蒸發(fā)器的分子和微孔結構。


  近日，華中科技大學瞿金平院士/牛冉研究員團隊以聚乙烯醇（PVA）作為示例，通過冷凍浸泡方法制造出分子和微孔結構可調的多孔水凝膠（PC-x），用于ISDE。受陽離子和陰離子種類和濃度的調控。所獲得的水凝膠表現出可調的機械性能、結晶度、水傳輸速率和水狀態(tài)。在ISDE過程中，水蒸發(fā)速率同樣受到離子種類和濃度的影響，蒸發(fā)率最高可達到3.52 kg m-2 h-1，效率高達97.2%。此外，與熱電模塊組裝在一起，混合裝置在 1 kW m-2 照射下產生 160 mV 的開路電壓和 0.65 W m-2 的功率密度。冷凍浸泡法的通用性在其他水凝膠體系中得到進一步證明，例如明膠和海藻酸鈉。該工作有望同時解決偏遠地區(qū)飲用水和電缺乏的問題。相關工作以Hofmeister Effect Mediated Hydrogel Evaporator for Simultaneous Solar Evaporation and Thermoelectric Power Generation為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal（中科院1區(qū)，影響因子16.744） 


圖1（a）通過冷凍浸泡法制造用于太陽能驅動蒸汽和熱電聯產的PC-x水凝膠的示意圖。（b）PC-SO42-水凝膠和（c）氣凝膠的光學圖像。不同放大倍率下（d1-d3）PC- SO42-, (e1-e3) PC- CO32- 和（f1-f3）PC-Ac-的SEM圖像。 


圖2（a）在1 M鈉鹽中形成的PC-x水凝膠的儲存模量和損耗模量。（b）PC-水凝膠柔韌性展示。（c）在1 M鈉鹽中形成的PC-x水凝膠在拉伸下的典型應力-應變曲線。（d）由陰離子調節(jié)的PC-x水凝膠的拉伸強度和模量。（e） PC-x水凝膠的XRD圖譜。濕態(tài)下（g）PC- SO42-，（h）PC- CO32- 和（i）PC-Ac-的水接觸角。（j）PC- SO42-、對照組和純PVA的紫外-可見-近紅外吸收曲線。（k） PC-、對照組和純PVA在1個太陽照射下的光熱轉換。插圖顯示了 PC- SO42- 在 1 分鐘和 19 分鐘時的紅外熱成像圖片。（l）COMSOL模擬對照組（左）和 PC- SO42-（右）的溫度分布。 


圖3（a）水質量隨時間的變化，（b）1 kW m-2太陽光照射下PC-x水凝膠的水蒸發(fā)速率和效率比較。（c）PC-SO42-在1個太陽下不同水質中的蒸發(fā)速率。（d）染料水和收集的淡水的紫外-可見吸收光譜。插圖顯示了蒸發(fā)前后水的照片。（e） 海水和冷凝水中典型金屬離子的濃度。（f）PC- SO42-在不同強度太陽照射下的水質量變化。插圖顯示了2個太陽光強輻照下產生的蒸汽照片。（g）PC-在海水中的循環(huán)使用性能。插圖顯示了第 10 個循環(huán)水質量損失隨時間的變化。（h）在5小時持續(xù)1太陽照射下水的質量損失隨時間的變化。 （i）連續(xù)水蒸發(fā)下PC- SO42-表面鹽析的照片。（j）PC-表面裝載的NaCl晶體在黑暗中溶解的照片。 


圖4（a）PC-x水凝膠中水狀態(tài)的示意圖。（b）PC- SO42-的拉曼光譜，擬合峰表示中間水和自由水。（c）PC-x水凝膠的中間水（IW）與游離水（FW）的比例。（d）DSC測試PC-x水凝膠的融化行為。（e）從DSC測量中獲得的中間水（IW）、自由水（FW）和結合水（BW）的比例。（f）在黑暗中PC-x 1 h的質量損失。（g）純水和PC-x水凝膠的DSC曲線。（h）純水和PC-x中水的蒸發(fā)焓。（i） PC-x蒸發(fā)器和純水性能的比較。 


圖5（a）同時進行太陽能蒸汽和熱電聯產的裝置方案。（b） 混合設備在開燈和關燈模式下的溫差和電壓（1 Sun）。（c）混合裝置在不同太陽照射強度下的開路電壓（VOC）和（d）表面溫差（ΔT）曲線。（e）混合裝置在不同下表面溫度下產生的開路電壓。（f）混合裝置在不同太陽強度下的電流-電壓圖和（g）功率密度。（h）不同混合太陽能熱裝置在1次太陽照射下的性能比較。（i）1個太陽光照下混合裝置在海水和湖水中的長期穩(wěn)定性。 


圖6（a）自制室外太陽能蒸發(fā)裝置的示意圖及（b）照片。（c-f）戶外實驗前40分鐘蒸發(fā)過程演變的照片。（g）太陽輻照強度和環(huán)境溫度的時間演變。（h）清潔水生成率和累積生成量的記錄。（i）連續(xù)4天戶外實驗的日產水量。（j）戶外實驗4天后累積的淡水。（k）小型電子設備供電的熱電生產裝置方案。（l）工作中的計算器、（m）電風扇和（n）計時器的照片。


  該工作以Hofmeister Effect Mediated Hydrogel Evaporator for Simultaneous Solar Evaporation and Thermoelectric Power Generation為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal (影響因子16.744)。論文第一作者為華中科技大學化學與化工學院2021級碩士研究生任佳欣，論文通訊作者為牛冉研究員，論文作者還包括瞿金平院士和博士研究生陳玲。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)項目以及華中科技大學人才引進啟動基金的資助。


  原文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723002425


團隊簡介：

  華中科技大學瞿金平院士團隊自2019年組建至今，主要圍繞多相多組分體系傳遞與反應過程強化、生態(tài)難消納物質綠色化替代與再利用、功能材料綠色高效制造與產業(yè)化應用開展相關研究工作。團隊與國內外眾多高校、研究機構和企業(yè)保持密切合作，目前在研縱向和橫向項目多項，擁有一批先進的高分子材料合成、加工和測試表征儀器設備，具備完善的研究設施和科研條件。團隊常年招收碩士研究生、博士研究生、科研助理、機械工程師和博士后（聯系郵箱：niuran@hust.edu.cn）。


  牛冉，華中科技大學化學與化工學院研究員、博士生導師，主要研究領域為微納馬達和新能源材料。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Small、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影響力的國際刊物上發(fā)表SCI論文近60篇，獲授權專利5項，申請專利7項。主持承擔國家自然科學基金、重點研發(fā)計劃等國家和省部級科技項目多項，并獲得湖北省海外高層次人才計劃、武漢英才等多項榮譽獎勵。擔任Rare Metals期刊 (中科院1區(qū)，影響因子6.3)期刊青年編委。

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（責任編輯：xu）
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